Motoren aus technischer Sicht/ Beschreibung der Motorenteile

Zylinder und Kurbelgehäuse

Motorblock aus Aluminium (unbearbeiteter Rohling)

Der Brennraum wird gebildet aus dem Zylinder, welcher röhrenförmig ist, sowie dem Kolben, der sich im Zylinder vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin bewegt und umgekehrt. Der Motor besteht oft aus mehreren Zylindern, die sich in verschiedenen Anordnungen im Motor befinden können. Der Zylinder mündet auf der einen Seite in das Kurbelwellengehäuse und auf der anderen Seite ist er verschlossen bzw. durch Ventile verschließbar. Da der Zylinder vor allem im Bereich der Totpunkte, wo es durch die Bewegungsumkehr des Kolbens zu verminderter Schmierung und damit zu erhöhtem Verschleiß kommt, starken Belastungen ausgesetzt ist, muss er folgende Eigenschaften besitzen:

• Die Zylinderoberfläche muss eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, da es zu hohen Reibungskräften durch den Kolben kommt.
• Er braucht eine hohe Festigkeit, da es zu ständig wechselnden Druckbelastungen kommt.
• Er muss über ein gutes Wärmeleitvermögen verfügen, aber die Wärmeausdehnung muss gering gehalten werden, wegen der großen Temperaturschwankungen.

Das Kurbelgehäuse, welches den Kurbeltrieb aufnimmt, besteht aus zwei Teilen. Im unteren Teil ist normalerweise die Ölwanne vorhanden, welche das von oben zurücklaufende Öl auffängt bzw. bevorratet. Eine Ölpumpe pumpt das Öl aus der Ölwanne durch den Motor damit die Schmierung der verschiedenen Motorenteile gesichert ist. Das Oberteil des Kurbelgehäuses ist in der Regel mit den Zylindern in einem Stück vergossen, damit die Steifigkeit erhöht wird. Für die Herstellung der Zylinder des Kraftfahrzeugs wird Gusseisen mit Lamellengraphit eingesetzt. Da dieses Material jedoch schwer ist, neigt die Automobilindustrie vermehrt zur Verwendung von Aluminium als Werkstoff, da es viel leichter ist als Gusseisen und zudem die Wärme besser leitet. Da Aluminium jedoch nicht besonders steif ist, wird die oberste Schicht der Lauffläche mit ≥ 12 % Silizium angereichert, welches die Verschleißfestigkeit von Aluminium erhöht. Möglich ist auch der Einsatz von Zylinderbuchsen aus hochfesten Legierungen (Materialeinsparung / Reparaturfähigkeit).

Zylinderkopf

Querschnitt durch Motorblock und Zylinderkopf mit Beschriftungen

Im rechten Bild ist im oberen Bildteil der Zylinderkopf zu erkennen. In ihm sind die Ventile, die Zündkerze und die Nockenwelle untergebracht. Der Zylinderkopf zählt zu den kompliziertesten Bauteilen des Kraftfahrzeugs, da verschiedene Elemente in einem Bauteil vereinigt werden müssen. Der Zylinderkopf dichtet bzw. schließt den Zylinder nach oben ab. Motoren, welche flüssigkeitsgekühlt sind, verfügen über Kühlkanäle sowie übe Ölkanäle im Zylinderkopf, welche für die Schmierung sorgen. Der Zylinderkopf ist hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, da er den Brennraum abschließt und die Ein- und Auslassventile aufnimmt. Aus diesem Grund werden für die Produktion des Zylinderkopfs in der Regel Leichtmetalllegierungen eingesetzt, weil diese die Wärme besser ableiten können und somit die thermische Belastung mildern. Im Zylinderkopf sind Elemente der Motorsteuerung (Nockenwelle, Ein- und Auslassventil) sowie die Zündkerzen (beim Dieselmotor die Einspritzdüsen) eingebaut. Da all diese Teile den Zylinderkopf mechanisch stark beanspruchen, wird das Leichtmetall, aus welchem der Zylinderkopf gefertigt ist, durch Gussteile verstärkt. Zudem muss der Zylinderkopf über eine gute Dichtung verfügen (Zylinderkopfdichtung). Diese befindet sich zwischen Motorblock und Zylinderkopf und dichtet den Brennraum und die Öl- und Wasserkanäle ab.

Kolben

Der Kolben ist für die Abdichtung des Brennraumes verantwortlich. Zudem soll er den Druck, welcher während des Arbeitstaktes von Verbrennungsmotoren entsteht, in Bewegung umsetzen und damit das Kraftfahrzeug antreiben oder durch die Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemisches einen Druck erzeugen. Den Druck leitet der Kolben an das Pleuel und die Wärme an den Zylinder weiter. Die nachfolgende Aufstellung illustriert die Beanspruchungen, welchen der Kolben während der Bewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin und umgekehrt ausgesetzt ist:

Beanspruchung des Kolbens durch den Verbrennungsdruck während des Arbeitsspiels:

Gegeben: Verbrennungshöchstdruck = 75 bar, r = 4.5 cm, n = 6000 min^-1

Gesucht: Die auf den Kolbenboden wirkende Kraft F

Gaskraft: F = p × A, Druck: p = F / A, [F] = N, [A] = cm², [p] = N/cm²

1 N/cm² → 0,1 bar, 75 bar → 750 N/cm² = p, A = r² × π = (4,5 cm) ² × 3,14 = 63,6 cm²

→ F = 750 N/cm² × 63,6 cm² = 47,7 kN

• Bei einer Umdrehung von 6000 min^-1 wirkt auf den Kolbenboden eines Viertaktmotors von 9 cm Durchmesser bei einem Verbrennungshöchstdruck von 75 bar 50-mal pro Sekunde eine Kraft von 47,7 kN.

• Die Maximaltemperatur am Kolbenboden beträgt 350 °C

Pleuel

Die Pleuel, d.h. die Pleuelstange, sorgt für die Übertragung der Kraft, welche bei der Hubbewegung des Kolbens erzeugt wird, auf die Kurbelwelle. Dabei wird die geradlinige Kolbenbewegung in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Die Pleuelstange ist ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt. Dabei wechseln die Beanspruchungen auf Zug, Druck, Biegung und Knickung ständig. Deshalb werden hochfeste Werkstoffe wie Karbonfaser-Kunststoffe, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kugelgraphitguss, legierter Vergütungsstahl und Sinterwerkstoffe für die Herstellung der Pleuel eingesetzt. Zudem stellt der Pleuel durch die Ölbohrung eine Leitung für die Schmierung zur Verfügung.

Kurbelwelle

Darstellung der Kurbelwelle: Auf die Kurbelzapfen (blau eingefärbt) wirkt die Pleuelstange. Die Kurbelzapfen verbinden die Kurbelwangen miteinander. Die einzelnen Teile werden durch die Wellenzapfen verbunden.

Die Kurbelwelle überträgt die durch die lineare Bewegung des Kolbens auf die Pleuelstange abgegebene Kraft als Drehmoment auf das Schwungrad der Kupplung. Die Kurbelwelle besteht aus Kurbelzapfen und Wellenzapfen. Die Kurbelzapfen nehmen den Pleuel auf und führen eine Kreisbewegung um die Drehachse der Kurbelwelle aus. Der Durchmesser dieser Kreisbewegung entspricht der Hubbewegung, welche im Zylinder durch den Kolben erzeugt wird. Die Wellenzapfen drehen sich nur um die Drehachse der Kurbelwelle und beeinflussen die Hubbewegung nicht. Es gibt gebaute, also aus Einzelteilen zusammengesetzte und geschmiedete oder gegossene, also aus einem Stück gefertigte Kurbelwellen. Die Kurbelwelle muss der Biegungsbeanspruchung, welche durch die Kolbenkraft bei der Hubbewegung des Kolbens entsteht, der Torsionsbeanspruchung, welche bei lang gestreckten elastischen Körpern durch entgegengesetzt gerichtete Drehmomente zu einer schraubenförmigen Verdrehung führen kann, sowie der Axialkraft, welche längs der Achse entsteht, standhalten. Deshalb müssen sowohl gebaute als auch gegossene Kurbelwellen eine hohe Festigkeit haben.

Ventilsteuerung

Der Ventiltrieb von Viertaktmotoren erfolgt über die Nockenwelle. Die Ventilsteuerung besteht neben den Nockenwellen aus dem Nockenwellenantrieb, der Ventilbetätigung und den Ein- bzw. Auslassventilen. Die Ein- und Auslassventile werden dabei durch die Nockenwelle zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Reihenfolge geöffnet. Damit die Ventilöffnung synchron zur Kolbenstellung verläuft, sind die Kurbelwelle und die Nockenwelle in der Regel über einen Zahnriemen verbunden. Die Nocken- und die Kurbelwelle können auch über eine Kette oder ein Zahnrad miteinander verbunden sein. Kurbel- und Nockenwelle haben ein Übersetzungsverhältnis von 2:1, d.h. die Ein- und Auslassventile des Viertaktmotors werden von der Nockenwelle bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet. Die Nockenwelle besteht aus einer Welle mit je einem Nocken pro Ventil, welches betätigt werden soll, und den Lagern. Die Öffnungsdauer und der maximale Öffnungshub des Ein- und Auslassventils werden über die Nockenform bestimmt. Je steiler dabei der Nocken ausgeführt ist, umso länger bleibt das Ventil geöffnet. Bedingt durch die steile Form der Nocken, entstehen hohe Kräfte bei der Öffnung der Ventile, was zu starkem Verschleiss der Nocken und somit auch zu hohen Belastungen der gesamten Nockenwelle führt. Deshalb wird für die Herstellung der Nockenwelle geschmiedeter Stahl oder Gusseisen mit Kugelgraphit eingesetzt, welche über eine hohe Verschleißfestigkeit verfügen. Zum Einsatz kommen auch oberflächenhärtbare Werkstoffe. Zudem werden die Nockenwellen zur Verminderung der Masse und Steigerung der Torsionsfestigkeit teilweise hohl gebohrt.